Murat Yaylaci;Ecren Uzun Yaylaci;Muhittin Turan;Mehmet Emin Ozdemir;Sevval Ozturk;Sevil Ay
Steel and Composite Structures
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제50권1호
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pp.77-87
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2024
In this study, the two-dimensional crack problem was investigated by using the finite element method (FEM)-based ANSYS package program and the artificial neural network (ANN)-based multilayer perceptron (MLP) method. For this purpose, a half-infinite functionally graded (FG) layer with a crack pressed through two rigid blocks was analyzed using FEM and ANN. Mass forces and friction were neglected in the solution. To control the validity of the crack problem model exercised, the acquired results were compared with a study in the literature. In addition, FEM and ANN results were checked using Root Mean Square Error (RMSE) and coefficient of determination (R2), and a well agreement was found. Numerical solutions were made considering different geometric parameters and material properties. The stress intensity factor (SIF) was examined for these values, and the results were presented. Consequently, it is concluded that the considered non-dimensional quantities have a noteworthy influence on the SIF. Also FEM and ANN can be logical alternative methods to time-consuming analytical solutions if used correctly.
Chinnapandi, Lenin Babu Mailan;Pitchaimani, Jeyaraj;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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제44권6호
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pp.829-843
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2022
This manuscript work presents a comprehensive continuum model capable to investigate the effect of porosity on vibro-acoustic behaviour of functionally graded (FG) beams resting on an elastic foundation subjected to thermal and mechanical loadings. Effects of uniform temperature rise and edge compressive load on the sound radiation characteristics are studied in a comparative manner. The numerical analysis is carried out by combining finite element method with Rayleigh's integral. Detailed parametric studies are accomplished, and influences of power law index, porosity volume, porosity distribution and boundary conditions on the vibro-acoustic response characteristics are analyzed. It is found that the vibro-acoustic response under mechanical edge compression is entirely different compared to from that under the thermal load. Furthermore, nature of grading of porosity affects the sound radiation behaviour for both the loads. The proposed model can be used to obtain the suppression performance of vibration and noise FG porous beams under thermal and mechanical loads.
This study explores the linear and nonlinear solutions of sigmoid functionally graded material (S-FGM) nanoplate with porous effects. A size-dependent numerical solution is established using the strain gradient theory and isogeometric finite element formulation. The nonlinear nonlocal strain gradient is developed based on the Reissner-Mindlin plate theory and the Von-Karman strain assumption. The sigmoid function is utilized to modify the classical functionally graded material to ensure the constituent volume distribution. Two different patterns of porosity distribution are investigated, viz. pattern A and pattern B, in which the porosities are symmetric and asymmetric varied across the plate's thickness, respectively. The nonlinear finite element governing equations are established for bending analysis of S-FGM nanoplates, and the Newton-Raphson iteration technique is derived from the nonlinear responses. The isogeometric finite element method is the most suitable numerical method because it can satisfy a higher-order derivative requirement of the nonlocal strain gradient theory. Several numerical results are presented to investigate the influences of porosity distributions, power indexes, aspect ratios, nonlocal and strain gradient parameters on the porous S-FGM nanoplate's linear and nonlinear bending responses.
Murat Yaylaci;Ecren Uzun Yaylaci;Mehmet Emin Ozdemir;Sevval Ozturk;Hasan Sesli
Steel and Composite Structures
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제46권4호
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pp.565-575
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2023
This study represents a numerical research in vibration and buckling of functionally graded material (FGM) beam comprising edge crack by using finite element method (FEM) and multilayer perceptron (MLP). It is assumed that the material properties change only according to the exponential distributions along the beam thickness. FEM and MLP solutions of the natural frequencies and critical buckling load are obtained of the cracked FGM beam for clamped-free (C-F), hinged-hinged (H-H), and clamped-clamped (C-C) boundary conditions. Numerical results are obtained to show the effects of crack location (c/L), material properties (E2/E1), slenderness ratio (L/h) and end supports on the bending vibration and buckling properties of cracked FGM beam. The FEM analysis used in this paper was verified with the literature, and the fundamental frequency ratio ($\overline{P_{cr}}$) and critical buckling load ratio ($\overline{{\omega}}$) results obtained were compared with FEM and MLP. The results obtained are quite compatible with each other.
Ayman E., Nabawy;Ayman M.M., Abdelhaleem;Soliman. S., Alieldin;Alaa A., Abdelrahman
Steel and Composite Structures
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제45권5호
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pp.697-713
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2022
In the context of the finite elements method, the dynamic behavior of porous functionally graded double wishbone vehicle suspension structural system incorporating joints flexibility constraints under road bump excitation is studied and analyzed. The functionally graded material properties distribution through the thickness direction is simulated by the power law including the porosity effect. To explore the porosity effects, both classical and adopted porosity models are considered based on even porosity distribution pattern. The dynamic equations of motion are derived based on the Hamiltonian principle. Closed forms of the inertia and material stiffness components are derived. Based on the plane frame isoparametric Timoshenko beam element, the dynamic finite elements equations are developed incorporating joint flexibilities constraints. The Newmark's implicit direct integration methodology is utilized to obtain the transient vibration time response under road bump excitation. The presented procedure is validated by comparing the computational model results with the available numerical solutions and an excellent agreement is observed. Obtained results show that the decrease of porosity percentage and material graduation tends to decrease the deflection as well as the resulting stresses of the control arms thus improving the dynamic performance and increasing the service lifetime of the control arms.
In this study, free vibration and damping behaviors of multilayered symmetric sandwich beams and single layered beams made of Functionally Graded Materials were investigated, experimentally and numerically. The beams were composed of Aluminum and Silicon Carbide powders and they were produced by powder metallurgy. Three beam models were used in the experiments. The first model was isotropic, homogeneous beams produced by using different mixing ratios. In the second model, the pure metal layers were taken in the middle of the beam and the weight fraction of the ceramic powder of each layer was increased towards to the surfaces of the beam in the thickness direction. In the third model, the pure metal layers were taken in the surfaces of the beam and the weight fraction of the ceramic powder of each layer was increased towards to middle of the beam. Then the vibration tests were performed. Consequently, the effects of stacking sequence and mixing ratio on the natural frequencies and damping responses of functionally graded beams were discussed from the results obtained. Furthermore, the results obtained from the tests were supported with a finite-element-based commercial program, and it was found to be in harmony.
This research article reported the nonlinear finite solutions of the nonlinear flexural strength and stress behaviour of nano sandwich graded structural shell panel under the combined thermomechanical loading. The nanotube sandwich structural model is derived mathematically using the higher-order displacement polynomial including the full geometrical nonlinear strain-displacement equations via Green-Lagrange relations. The face sheets of the sandwich panel are assumed to be carbon nanotube-reinforced polymer composite with temperature dependent material properties. Additionally, the numerical model included different types of nanotube distribution patterns for the sandwich face sheets for the sake of variable strength. The required equilibrium equation of the graded carbon nanotube sandwich structural panel is derived by minimizing the total potential energy expression. The energy expression is further solved to obtain the deflection values (linear and nonlinear) via the direct iterative method in conjunction with finite element steps. A computer code is prepared (MATLAB environment) based on the current higher-order nonlinear model for the numerical analysis purpose. The stability of the numerical solution and the validity are verified by comparing the published deflection and stress values. Finally, the nonlinear model is utilized to explore the deflection and the stresses of the nanotube-reinforced (volume fraction and distribution patterns of carbon nanotube) sandwich structure (different core to face thickness ratios) for the variable type of structural parameter (thickness ratio, aspect ratio, geometrical configurations, constraints at the edges and curvature ratio) and unlike temperature loading.
Artificial neural networks (ANNs) are known as intelligent methods for modeling the behavior of physical phenomena because of it is a soft computing technique and takes data samples rather than entire data sets to arrive at solutions, which saves both time and money. ANN is successfully used in the civil engineering applications which are suitable examining the complicated relations between variables. Functionally graded materials (FGMs) are advanced composites that successfully used in various engineering design. The FGMs are nonhomogeneous materials and made of two different type of materials. In the present study, the bending analysis of functionally graded material (FGM) beams presents on theoretical based on combination of mixed-finite element method, Gâteaux differential and Timoshenko beam theory. The main idea in this study is to build a model using ANN with four parameters that are: Young's modulus ratio (Et/Eb), a shear correction factor (ks), power-law exponent (n) and length to thickness ratio (L/h). The output data is the maximum displacement (w). In the experiments: 252 different data are used. The proposed ANN model is evaluated by the correlation of the coefficient (R), MAE and MSE statistical methods. The ANN model is very good and the maximum displacement can be predicted in ANN without attempting any experiments.
Based on Reissner's mixed variational theorem (RMVT), the authors develop a semi-analytical finite element (FE) method for a three-dimensional (3D) bending analysis of nonhomogeneous orthotropic, complete and incomplete toroidal shells subjected to uniformly-distributed loads. In this formulation, the toroidal shell is divided into several finite annular prisms (FAPs) with quadrilateral cross-sections, where trigonometric functions and serendipity polynomials are used to interpolate the circumferential direction and meridian-radial surface variations in the primary field variables of each individual prism, respectively. The material properties of the toroidal shell are considered to be nonhomogeneous orthotropic over the meridianradial surface, such that homogeneous isotropic toroidal shells, laminated cross-ply toroidal shells, and single- and bi-directional functionally graded toroidal shells can be included as special cases in this work. Implementation of the current FAP methods shows that their solutions converge rapidly, and the convergent FAP solutions closely agree with the 3D elasticity solutions available in the literature.
The free vibration of functionally graded material (FGM) beams on an elastic foundation and spring supports is investigated. Young's modulus, mass density and width of the beam are assumed to vary in thickness and axial directions respectively following the exponential law. The spring supports are also taken into account at both ends of the beam. An analytical formulation is suggested to obtain eigen solutions of the FGM beams. Numerical analyses, based on finite element method by using a beam finite element developed in this study, are performed in order to show the legitimacy of the analytical solutions. Some results for the natural frequencies of the FGM beams are given considering the effect of various structural parameters. It is also shown that the spring supports show the greatest effect on the natural frequencies of FGM beams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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